Quantificazione degli effetti dei raggi cosmici sul clima

Il Settimo programma quadro dell'UE ha assegnato 2,3 milioni di euro per i prossimi tre anni ad un esperimento che esamina l'influenza della radiazione cosmica sul clima della Terra. La collaborazione, intitolata CLOUD-ITN (Cosmic rays leaving outdoor droplets - Initial Training Network), è iniziata lo scorso agosto ed è coordinata dall'Università Goethe di Francoforte sul Meno, in Germania. Sostiene otto dottorati e due posizioni post-dottorato in nove istituzioni partner in Europa; il lavoro verrà svolto in larga misura presso il Centro europeo di ricerca nucleare (CERN).

Il riscaldamento climatico osservato dal 1900 viene largamente attribuito ai gas serra nell'atmosfera, che vengono generati dall'attività umana. Si ritiene che i cambiamenti della radiazione solare contribuiscano relativamente poco ai cambiamenti climatici. Tuttavia, gli effetti dei cambiamenti della radiazione UV (ultravioletta) o dei raggi cosmici galattici non sono ancora stati quantificati. Gli esperimenti che verranno condotti al CERN, un centro che si trova sul confine franco-svizzero, cercheranno di quantificare le interazioni di raggi cosmici, radiazione UV, aerosol e nuvole. Questo, a sua volta, dovrebbe migliorare le nostre conoscenze sul cosiddetto contributo «indiretto del sole» ai cambiamenti climatici.

La formazione di nuvole è una delle incertezze maggiori nell'equazione sui cambiamenti climatici. Ma come si formano le nuvole? Quando dei raggi cosmici galattici altamente energetici (generati dalle supernove) entrano nell'atmosfera della Terra, tolgono gli elettroni dai gas che incontrano, lasciando una traccia di molecole cariche (ioni) nella loro scia. Si possono poi formare delle nuove particelle di aerosol e possono crescere attorno a questi ioni; le particelle di acqua usano queste particelle come «nuclei di condensazione» per formare una nuvola.

La collaborazione CLOUD ha sviluppato una camera per aerosol che, se esposta ad un fascio di particelle elementari, può simulare gli effetti dei raggi cosmici sulla formazione di aerosol e nuvole. Il primo prototipo è stato sviluppato nel 2006 e la nuova camera potenziata verrà usata per eseguire esperimenti sulla nucleazione indotta da ioni e sull'interazione ioni-aerosol. Ciò porterà ad una migliore comprensione dei meccanismi della formazione di nuvole.

La camera a nebbia è una costruzione in acciaio inossidabile che misura 3 m per 3,7 m ed è piena dei componenti che si ritiene formino una nuvola (aria, vapore acqueo, tracce di gas). Questi vengono analizzati continuamente con una miriade di strumenti di analisi. Uno degli analizzatori è uno spettrometro di massa di ioni chimici che può misurare le concentrazioni di acido solforico a meno di 0,1 parti per trilione; CLOUD è uno dei soli tre gruppi al mondo ad utilizzare uno strumento simile. I raggi cosmici galattici vengono simulati con un acceleratore a sincrotrone protonico.

Il prototipo attuale (chiamato Mk2) verrà usato per effettuare una vasta serie di importanti esperimenti fisici nei prossimi anni, dopo i quali verrà sostituito con una strumentazione CLOUD finale che incorpora i potenziamenti delle prestazioni ed una camera di pressione per aerosol appena sviluppata.

Il progetto CLOUD-ITN offre fondi ad otto candidati dottorandi per effettuare il lavoro e scrivere le loro tesi sulla ricerca. È stato creato un programma di formazione completo per i candidati dottorandi e per i loro compagni a livello post-dottorato, comprensivo di scuole estive annuali e workshop su argomenti come la chimica e la fisica dell'aerosol, la nucleazione dell'aerosol indotta da ioni e l'influenza dei raggi cosmici galattici sul clima nel passato. La prima scuola estiva ha avuto luogo presso la Hyytiälä Forestry Field Station in Finlandia in agosto.

Tutti gli strumenti di analisi vengono forniti dagli istituti partner e supportati dalle agenzie di finanziamento nazionali. I partecipanti al progetto includono il CERN, il Paul Scherrer Institute (Svizzera), le università di Helsinki (Finlandia), Leeds (Regno Unito), Reading (Regno Unito) e Vienna (Austria), l'Institute for Tropospheric Research di Lipsia (Germania) e Ionicon Analytik di Innsbruck, Austria. L'università di Lisbona in Portogallo e l'Istituto per la ricerca nucleare e l'energia nucleare di Sofia, Bulgaria, si sono uniti di recente alla collaborazione. Anche al Lebedev Physical Institute russo è stata concessa una sovvenzione di ricerca per supportare le attività CLOUD della Fondazione russa per la ricerca di base (RFBR) nell'ambito dell'accordo CERN-RFBR sulla cooperazione scientifica.

Il personale per la progettazione del centro CLOUD Mk2 viene fornito da PSI, CERN e dall'Università di Lisbona. Le spese costruttive per il centro CLOUD Mk2 verranno pagate con un finanziamento comune condiviso tra gli istituti partner e tramite i contributi in natura.